高位定向钻孔在采空区瓦斯治理中的应用

芦海广，朱鹏飞

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 通风处，山西 晋城 048006;2. 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 成庄煤矿，山西 晋城 048006)

成庄煤矿位于晋城市西北20 km 处，跨泽州和沁水两县，隶属于晋城蓝焰煤业股份有限公司。2005年核定生产能力为800 万t/年，主采3#煤层，采煤工作面采用走向长壁综采放顶煤和一次采全厚采煤方法。2014 年矿井绝对瓦斯涌出量达384.59 m3/min，其中风排瓦斯量122.71 m3/min，抽采量261.88 m3/min，属高瓦斯矿井。成庄煤矿早期就曾试验推广MK 系列钻机施工顶板走向高抽钻孔抽采采空区瓦斯，但由于钻孔轨迹不能按设计要求施工到位、钻孔接替存在空白区域等问题，抽采效果一直很差。随着开采技术的发展，产能的提升，采空区瓦斯治理技术亟待提高。特别是近几年，定向钻机抽采效果好、成孔效率高、轨迹精度高等技术优势已在本煤层抽采过程中得到充分体现，为此，成庄煤矿提出利用千米钻机施工顶板高位定向钻孔抽采采空区瓦斯技术。

1 工作面概况

该矿5301 采煤工作面主采3#煤层，煤层厚度为6.6 m，采用综合机械化放顶煤回采工艺，走向长度1 512 m，倾向长度194 m，采高为3.5 m，煤层倾角2° ～6°.老顶为细粒砂岩，厚度为3.0 m，直接顶为砂质泥岩，厚度为2.7 m，伪顶为泥岩，厚度为0.6 m.工作面采用“两进两回”型通风系统，回风巷风量为2 500 m3/min，瓦斯涌出量为10 ～15 m3/min，瓦斯涌出来源主要为本煤层和采空区，其中本煤层瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的40%，采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%，回采过程中经常出现上隅角、回风巷瓦斯浓度达到超限临界值，严重影响工作面正常生产。

2 顶板高位定向钻孔抽采技术原理

采场上覆岩层移动规律的理论分析表明，覆岩的移动破坏在竖直方向上通常划分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带;在水平方向上形成3 个区，即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。煤层开采后上覆岩层运动形成竖向穿层破断裂隙，其发育高度与开采煤层的采高及覆岩岩性有关，是开采煤层上邻近层卸压瓦斯运移及涌向回采空间的主要通道，也可称为“导气裂隙带”。随着工作面推进，采动裂隙趋于重新压实，采空区四周则形成相互连通的采动裂隙发育区，称之为采动裂隙“O”形圈，周围煤岩体内的瓦斯解吸后通过渗流不断地汇集到这一区域。

根据上述理论，顶板高位定向钻孔布置在裂隙带的“O”形圈内，是工作面采空区抽采的关键所在;瓦斯抽放效果的好坏，主要取决于钻孔布置层位、距回风巷的距离及抽采量的大小。

3 顶板高位定向钻孔设计

3.1 高位定向钻孔剖面层位选择

1)裂隙带高度理论计算。

根据采空区上覆岩层运动的“竖三带”理论，钻孔在剖面上布置在裂隙带内，形成了卸压瓦斯的流动通道，在该范围内抽放瓦斯效果最好。根据以下裂隙带高度经验公式确定裂隙带的层位:

式中:

H—裂隙带高度，m;

M—采高，m.

5301 工作面3#煤层平均采高6.6 m，代入式(1)可得裂隙带在煤层以上18.4 ～31.4 m.

2)采空区“三带”数值模拟。

采用通用离散元程序UDEC 进行采场上覆岩层的“三带”变化特征相似数值模拟试验。

当工作面推进80 m 时，在煤层顶板铅垂方法0 m以上处，布置400 个测点，观测工作面推进时，煤层顶板的垮落情况，将数据从UDEC 中提取出来，在EXCEL中绘制成曲线，5301 工作面推进80 m 时顶板的铅垂位移曲线见图1.

图1 工作面推进80 m 时顶板铅垂位移曲线图

在煤层顶板0 ～9.2 m 内，顶板的铅垂位移量为5.51 ～5.72 m，各测点的岩层下沉量比较大，都在5.51 m 以上，表明这部分岩层已经垮落，此区域为不规则垮落带。在煤层的9.2 ～17.2 m 内，顶板的铅垂位移量为2.02 ～2.33 m，各测点的下沉量在2.02 m以上，岩层垮落，此区域为规则垮落带。

在煤层顶板18 m 处的铅垂位移为0.885 m，而煤层顶板17.2 m 处的铅垂位移为2.02 m，对比距煤层顶板17.2 m 处的铅垂位移，减少56.2%，表明煤层顶板18 m 处岩层已经断裂下沉，但是没有随着17.2 m处的岩层一起垮落，所以，在煤层顶板17.2 ～60.1 m 内为裂隙带。

在距煤层顶板61 m 处的铅垂位移为0.179 m，而煤层顶板60.1 m 处的铅垂位移为0.885 m，对比距煤层顶板60.1 m 处的铅垂位移，减少79.7%，在顶板60.1 ～73 m 处的顶板铅垂位移都在0.179 以下，铅垂位移量趋于稳定，该范围内岩层之间下沉量相差很小，煤层顶板73 m 处的铅垂位移为0.049 6 m，与煤层顶板70 m 处的铅垂位移相比，减少72.3%，下沉量很小，岩层没有断裂，只有微小的弯曲下沉。

由以上分析可知:5301 工作面采空区上覆岩层“三带”的分布为:垮落带高度17.2 m，裂隙带高度17.2 ～60.1 m，弯曲下沉带高度60.1 m 以上。

根据理论计算和数值模拟的结果，考虑到岩层定向钻进钻具安全以及定向钻具造斜能力，此次试验将高位定向钻孔布置在距煤层以上30 ～60 m 的顶板中。

3.2 高位定向钻孔平面位置确定

根据采动裂隙场“O”形圈分布理论，随着采煤工作面的推进，采空区中部离层裂隙趋于压实，而采空区四周存在一个离层裂隙发育的“O”形圈，其周边宽度为34 m 左右，根据矿井实际情况钻孔布置在距回风巷20 ～50 m.

3.3 高位定向钻孔数量确定

根据上覆岩层采动裂隙分布的“O”形圈特征及成庄煤矿通风工作面通风特点，将试验高位定向钻孔钻场设于53012 巷，每个钻场设计高位钻孔3 个。

3.4 高位定向钻孔孔径确定

高位岩层钻孔进行瓦斯抽采时，瓦斯只从靠近孔底孔段开采扰动产生的裂隙通道供给。因此，定向高位钻孔可被看作是一条瓦斯抽采管道。

在相同抽采负压和钻孔深度条件下，随着钻孔直径的增大，钻孔抽采能力也会大幅度提高。以长度400 m 孔径分别为94 mm 和145 mm 的钻孔为例，抽采负压为15 ～25 kPa 条件下，孔径145 mm 的高位定向钻孔瓦斯抽采流量达到孔径94 mm 高位定向钻孔的2 倍以上。为了达到良好的瓦斯治理效果，应尽量增大钻孔直径。

结合孔内钻具安全以及瓦斯抽采需要，试验先采用随钻测量定向钻进施工先导孔，钻孔直径94 mm;再更换常规钻具和扩孔钻头进行扩孔，将钻孔直径扩大至145 mm.

4 现场应用及效果分析

4.1 钻孔施工情况

2015 年3—6 月，5301 工作面分别在17#、11#和6#联络巷口共施工了9 个高位定向钻孔，钻孔均达到设计深度。为了提高钻孔抽采量，部分钻孔开了2 个分支，最大孔深达到426 m，总进尺4 011 m，钻孔孔径均扩大至145 mm，钻孔主要抽采孔段均位于设计的煤层顶板以上30 ～60 m，见图2，3.

图2 5301 面高位定向钻孔实际剖面轨迹图

图3 5301 面高位定向钻孔实际平面轨迹图

4.2 效果分析

1)高位钻孔瓦斯抽采效果。

随着工作面逐步回采，根据每个钻孔瓦斯浓度、瓦斯流量、瓦斯纯量(以下简称浓度、流量、纯量)的变化情况，对相关数据进行统计和分析。11#联络巷3 个高位钻孔瓦斯抽采浓度、流量和纯量随工作面推过钻孔进度的变化情况见图4，5，6.

图4 4#孔浓度、纯量和流量变化曲线图

图5 5#孔浓度、纯量和流量变化曲线图

图6 6#孔浓度、纯量和流量变化曲线图

由图4 ～6 可知，工作面推进过钻孔孔底50 m 左右时顶板垮塌形成裂隙，开始有流量，浓度达到75%左右，随着工作面逐步推进，流量增加到8 m3/min，且浓度保持在 40% 左右，可抽瓦斯的纯量为3.2 m3/min，且能保持约200 m 的推进度，这是平行工作面走向顶板孔的最大优势，钻孔的服务时间长;后期顶板垮落稳定，钻孔流量降至2 m3/min 左右，浓度降至30%左右，相应的纯量降至0.6 m3/min 左右，此后作为普通低位钻孔进行抽采。

2)采空区瓦斯治理效果。

为了验证高位钻孔抽采对工作面瓦斯治理的效果，比较工作面回采期间平均瓦斯涌出量在高位钻孔抽采前后的变化，工作面平均瓦斯涌出量与高位钻孔抽采量的关系图见图7.

图7 工作面平均瓦斯涌出量与高位钻孔抽采量的关系图

由图7 可知，高位钻孔投运后工作面平均瓦斯涌出量逐步下降，当采空区高位钻孔抽采量提升时，工作面绝对瓦斯涌出量对应的降低，由最初的17 m3/min左右降低至11 m3/min 左右，下降幅度达35%，起到了治理采空区瓦斯的作用。

5 结 论

通过上述试验数据分析，针对高位定向钻孔在顶板瓦斯治理中的应用得出如下结论:

1)成庄煤矿采用“U 并U”型通风方式和高位定向钻孔抽放采空区瓦斯相结合的施工技术，改变了采空区瓦斯流向，减少了采空区涌入巷道的瓦斯量，降低了工作面绝对瓦斯涌出量。

2)在成庄煤矿高瓦斯矿井，通过高位定向钻孔抽放采空区瓦斯，有效缓解了工作面回采过程中风排瓦斯量大的突出矛盾，降低了工作面巷道瓦斯浓度，为安全生产提供了保障。

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